C3A和半水石膏含量与水泥标准稠度用水量的关系
水泥 水泥杂志 2017-08-31
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0 引言
水泥标准稠度用水量是衡量水泥工作性能优劣的指标之一。一般来说，水泥标准稠度用水量小，则混凝土单位需水量少，外加剂掺加量少，强度高，耐久性比较好。因此，近年来，有关水泥标准稠度用水量的问题越来越引起人们的重视，特别在两广地区，混凝土行业总是希望水泥的需水量越小越好 [1-2]。
目前，虽然国内外已经有很多学者对关于C3A和石膏含量对水泥标准稠度用水量的影响给出了很多定性的解释，而关于定量方面的试验数据往往只限于试验小磨资料，工业生产数据相对较少。但是实验室的小磨数据往往局限于磨机规格等原因，与实际生产的数据对应性较差，有些甚至有相反的结论。本文通过实际工业生产资料汇总，讨论了C3A和半水石膏与水泥标准稠度用水量的关系，供同行参考。
1 C3A含量与熟料标准稠度用水量的关系
P·O42.5及其以上强度等级水泥中，熟料所占比例大，因此其标准稠度用水量很大程度上取决于熟料标准稠度用水量。众所周知，熟料矿物中C3A活性最高，与水接触能迅速发生水化反应，因此它对水泥的早期水化和混凝土的流变性影响较大[3]。引用的文献[1]熟料C3A含量与其标准稠度用水量的关系见图1。
从图1中可以看出，随着C3A含量的增加，熟料的标准稠度用水量也增加，两者呈线性关系。但是在实际生产中，熟料中C3A含量往往在7%~9%，熟料需水量也在23%~26%左右，与图1的对应关系较差。
图2是广东某些厂在相同的一段时间内，熟料中C3A含量与熟料标准稠度用水量的关系。这几个厂的位置较近，所用原材料和窑的规模也几乎一样。因此其熟料标准稠度用水量的对比性具有一定的参考价值。从图2可以看出，与图1的结论一样，大体上熟料的标准稠度用水量随着C3A含量的增加而增加；C3A含量小于7.5%的熟料的标准稠度用水量大体上小于C3A含量高于7.5%的熟料。
图2 熟料中C3A含量与熟料标准稠度用水量的关系
（实际生产数据）
表1是江西某厂2014年熟料标准稠度用水量变化情况。对比前后原材料来源相同，并且维持熟料中C3S与C2S的含量基本不变，提高熟料矿物中C3A的含量，降低C4AF的含量。从表1可以看出，熟料标准稠度用水量随着C3A的增加而增加。因此考虑到窑的煅烧和操作方便，建议控制熟料中的C3A含量在7.0%~7.5%之间。
2 半水石膏与水泥标准稠度用水量的关系
2.1 石膏的脱水温度
石膏的存在形态会在水泥粉磨过程中，由于磨机研磨发热和熟料带入热等原因而发生相应的变化，例如石膏脱水成半水石膏或可溶性无水石膏等。由于石膏的各种形态具有不同的溶解速度[4]，以及不同形态下石膏与外加剂具有不同的作用机理，因此会对水泥的各种性能产生影响[5]。
在实际水泥生产过程中，尤其是水泥立磨，往往要求磨机出口物料能达到一定的温度，除了烘干作用外，其主要目的是使石膏能脱去部分水分，变成半水石膏，改善水泥的工作性能。
目前，越来越多的水泥厂使用脱硫石膏和柠檬酸渣[6]等工业废渣代替天然石膏，以降低生产成本。但是天然石膏和工业石膏除对水泥各种性能产生不同的影响外，两种石膏的脱水温度也不同。图3和图4是脱硫石膏和天然石膏的热重曲线（升温速度2℃/min）。从图3和图4的对比中可以看出，天然石膏的脱水温度要比脱硫石膏的低20℃左右。因此对于使用脱硫石膏作为缓凝剂的工厂，要得到同样数量的半水石膏，可以允许磨机出口的温度稍高于使用天然石膏的工厂。
2.2 半水石膏与熟料中C3A 的含量
表2是越南某厂水泥立磨通热风和不通热风后，水泥标准稠度用水量的变化情况。从表2可以看出，控制水泥立磨出口温度对越南某厂起作用，使水泥标准稠度用水量能够有效降低。
图5是半水石膏掺入两个不同品种水泥中，水泥标准稠度用水量的变化情况。水泥分别来自TJZX和SZTS两个厂，工艺流程都是联合粉磨系统。
从图5可以看出，TJZX水泥的标准稠度用水量不随半水石膏含量的增加而增加，而SZTS水泥的标准稠度用水量在0.2%半水石膏掺量下不起作用，当掺量增加后，标准稠度用水量开始降低。
表3是这三个厂所用熟料的矿物成分分析。从矿物成分对比中可以看出， TJZX厂水泥熟料中C3A含量只有7.19%，而其他两厂都超过了8%。因此当熟料中C3A含量较高时，通过提高磨机出口温度，增加半水石膏的含量，能改善水泥的标准稠度用水量，而当熟料中C3A含量较低时，提高磨机出口温度，对改善水泥标准稠度用水量意义不大。
2.3 半水石膏细度
可溶物料的溶解速度在很大程度上与其比表面积有关，比表面积大，溶解速度快，反之，则慢。因此要使半水石膏与C3A矿物快速反应，必须使其达到一定的细度。图6是在同一掺量，不同半水石膏细度的条件下， TJZX和SZTS两种水泥的需水量的变化情况。
从图6可以看出，TJZX水泥由于熟料中C3A含量较小，半水石膏细度的变化对水泥的标准稠度用水量影响较小；而SZTS水泥由于熟料中C3A含量较大，半水石膏需达到一定的细度才能发挥出改善水泥需水量的作用。
3 结论
熟料中C3A含量对熟料标准稠度用水量有比较明显的影响。C3A含量高，则熟料标准稠度用水量大。将C3A含量控制在适当范围内，能有效降低熟料标准稠度用水量。考虑到窑系统操作方便，建议控制C3A含量在7.0%~7.5%之间。
水泥中半水石膏对降低水泥标准稠度用水量的贡献，主要看熟料中C3A的含量和半水石膏的细度，如果C3A含量较大，则适当增加水泥中磨细半水石膏的含量，能够降低水泥的标准稠度用水量。但是当熟料中C3A含量较小时，半水石膏对降低水泥标准稠度用水量无作用。
工业石膏的脱水温度大于天然石膏的，因此，工业生产时磨机的出口温度可控制不同。
参考文献：
[1] 王善拔,刘洪超.减少水泥标准稠度需水量的途径[J].河南建材,2001(1):19-23.
[2] 孙延泽,柴星腾，朱定林.水泥标准稠度需水量的影响因素分析[J].水泥技术,2008(6):85-86.
[3] 胡宏泰,朱祖培，陆纯煊.水泥的制造和应用[M].济南：山东科学技术出版社,1993.
[4] 郑 强，杨 柳，马传杰，等.半水石膏对水泥与外加剂相容性的影响[J].水泥,2009(8):7-8.
[5] 胡曙光,王蛟兰. 对减少水泥需水量问题的分析[J].国外建材科技,2001,22(1):5-8.
[6] 陈为胜,司 宁，郑德田，等.柠檬酸渣替代石膏的生产实践[J].水泥,2010(4):21-22.
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